Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Дифференцирование тригонометрических функций
Материал из https://ru.wikipedia.org

Функция Производная
Дифференцирование тригонометрических функций — математический процесс нахождения производной тригонометрической функции или скорости её изменения по отношению к переменной. Например, производная функции синуса записывается как sin(a) = cos(a), что означает, что скорость изменения sin(x) под определённым углом x = a задаётся косинусом этого угла.

Все производные круговых тригонометрических функций могут быть найдены из производных sin(x) и cos(x) с помощью правила частного[англ.], применяемого к таким функциям, как tan(x) = sin(x)/cos(x). Зная эти производные, можно производные от обратных тригонометрических функций найти с помощью неявного дифференцирования.

Все указанные функции непрерывны и дифференцируемы в своей области определения[1].

Содержание

Доказательства производных тригонометрических функций

Предел sin()/ при стремлении к 0

На диаграмме справа показан круг с центром O и радиусом r = 1. Пусть два радиуса OA и OK образуют дугу в радиан. Поскольку мы рассматриваем предел, когда стремится к нулю, мы можем предположить, что — это небольшое положительное число, скажем, 0 < < в первом квадранте.

На схеме пусть R1 будет треугольником OAK, R2круговым сектором KOA и R3 — треугольником OAL. Тогда площадь треугольника OAK:


Площадь кругового сектора OAK — это , а площадь треугольника OAL определяется как


Поскольку каждый объект содержится в следующем, мы имеем:


Более того, поскольку sin > 0 в первом квадранте, мы можем разделить на sin , получив:


На последнем этапе мы взяли обратно три положительных члена, изменив неравенство.




Мы пришли к выводу, что для 0 < < выражение sin()/ будет всегда меньше 1 и всегда больше cos(). Таким образом, чем ближе к 0, тем сильнее sin()/ становится "сжатым" между потолком на высоте 1 и полом на высоте cos , который стремится к 1; следовательно, sin()/ стремится к 1, когда стремится к 0 с положительной стороны:



Для случая, когда — это небольшое отрицательное число - < <0, мы используем тот факт, что синус — это нечётная функция:


Предел (cos()-1)/ при стремлении к 0

Последний раздел позволяет нам относительно легко рассчитать этот новый предел. Это делается простым трюком. В этом расчёте знак неважен.


С использованием cos2 – 1 = –sin2, факт, что предел произведения является произведением пределов, а предельный результат из предыдущего раздела, мы находим, что:


Предел tan()/ при стремлении к 0

Используя предел для функции синуса и то, что функция тангенс нечётна и предел произведения является произведением пределов, мы находим:


Производная функции синуса

Мы рассчитываем производную функции синуса из определения предела:


Используя формулы сложения углов sin(+) = sin cos + sin cos , мы имеем:


Использование пределов для функций синуса и косинуса:


Если использовать гиперболические функции, то формально можно получить, что:

,

т.к.





Производная функции косинуса

Мы снова вычисляем производную функции косинуса из определения предела:


Используя формулу сложения углов cos(+) = cos cos – sin sin , мы имеем:


Использование пределов для функций синуса и косинуса:


Если использовать гиперболические функции, то формально можно получить, что:


Чтобы вычислить производную функции косинуса из цепного правила, сначала обратите внимание на три следующих факта:


Первое и второе — это тригонометрические тождества, а третье доказано выше. Используя эти три факта, мы можем написать следующее:


Мы можем дифференцировать это, используя цепное правило. Положив , мы имеем:
.


Таким образом, мы доказали, что
.


Производная функции тангенса

Чтобы вычислить производную функции тангенса tan , мы используем первые принципы. По определению:


Используя известную формулу угла tan(+) = (tan + tan ) / (1 - tan tan ), мы имеем:


Используя тот факт, что предел произведения является произведением пределов:


Используя предел для функции тангенса и тот факт, что tan стремится к 0, поскольку стремится к 0:


Сразу видим, что:




Также можно вычислить производную функции тангенса, используя правило частного:


Числитель можно упростить до 1 с помощью пифагорового тождества, что даёт нам:


Следовательно,


Доказательства производных обратных тригонометрических функций

Следующие производные можно найти, установив переменную y равной обратной тригонометрической функции, от которой мы хотим взять производную. Используя неявное дифференцирование и затем решая для dy/dx, производная обратной функции будет найдена в терминах y. Чтобы преобразовать dy/dx обратно в термины x, мы можем нарисовать эталонный треугольник на единичной окружности, положив равным y. Используя теорему Пифагора и определение обычных тригонометрических функций, мы наконец можем выразить dy/dx через x.

Дифференцирование функции арксинуса

Пусть


где


Тогда


Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:


Подставляя сверху , имеем:


Подставляя сверху , имеем:


Дифференцирование функции арккосинуса

Пусть


где


Тогда


Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:


Подставляя сверху , получаем:


Подставляя сверху , получаем:


В качестве альтернативы, как только производная от установлена, производная от сразу следует путём дифференцирования тождества так, что .


Дифференцирование функции арктангенса

Пусть


где


Тогда


Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:


Левая сторона:
, используя пифагорово тождество


Правая сторона:


Следовательно,


Подставляя сверху , получаем:




Дифференцирование функции арккотангенса

Пусть


где Тогда


Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:


Левая сторона:
, используя пифагорово тождество


Правая сторона:


Следовательно,


Подставляя , получаем:




Дифференцирование функции арксеканса

Пусть


Тогда


(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение секанса и тангенса в интервале y всегда неотрицательно, а радикал всегда неотрицателен по определению главного квадратного корня, поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения x.)


В качестве альтернативы, производная арксеканса может быть получена из производной арккосинуса с использованием цепного правила.

Пусть


где
and


Тогда, применяя цепное правило к , имеем:


Дифференцирование функции арккосеканса

Пусть


Тогда


(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение косеканса и котангенса в интервале y всегда неотрицательно, а радикал всегда неотрицателен по определению главного квадратного корня, поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения x.)


В качестве альтернативы, производная арккосеканса может быть получена из производной арксинуса с использованием цепного правила.

Пусть


где
and


Тогда, применяя цепное правило к , имеем:


См. также

Примечания
  1. Производные тригонометрических функций. math24.ru. Math24. Дата обращения: 7 июля 2021. Архивировано 9 июля 2021 года.


Литература
Downgrade Counter